杜超，王門麟

（1.上海承飛航空特種設(shè)備有限公司，上海201613；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

PID回路是工廠的基礎(chǔ)控制層，將成千的控制回路保持在最佳的健康狀態(tài)，可減小控制波動(dòng)、提高質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能源成本與原料消耗，直接影響工廠操作運(yùn)營(yíng)的效率與效益。在過(guò)去的10年中，PID控制回路技術(shù)取得了許多進(jìn)展［1－5］，控制工程師現(xiàn)在可以跟蹤控制回路的績(jī)效，并能找出導(dǎo)致績(jī)效變化的根本原因，但缺乏明確的認(rèn)定績(jī)效為優(yōu)秀、好、一般或差的工業(yè)最佳實(shí)踐方法與準(zhǔn)則。

1 PID控制回路維護(hù)的需求分析

為了確保PID控制回路持續(xù)良好地運(yùn)行并滿足其目標(biāo)，操作人員需掌握恰當(dāng)監(jiān)測(cè)PID控制回路績(jī)效的技術(shù)及維護(hù)基礎(chǔ)控制層的最佳實(shí)踐方法，因而有必要研究并探討出一套測(cè)量與監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)控制層績(jī)效的準(zhǔn)則與最佳實(shí)踐方法。大多數(shù)工廠的資源有限，并且操作運(yùn)行存在許多約束。因此，考慮自動(dòng)監(jiān)控控制回路的績(jī)效是獲得成功的關(guān)鍵［6－7］。

控制回路性能差的主要原因：閥門的性能問(wèn)題，不恰當(dāng)?shù)恼▍?shù)，不恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?，缺少資源，缺少好的控制回路優(yōu)化程序，不能將PID的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成工藝流程的績(jī)效，缺乏工藝知識(shí)，缺乏監(jiān)測(cè)技術(shù)，缺乏高性能PID回路所必要的可實(shí)施的技術(shù)，工藝流程動(dòng)態(tài)特性的改變或設(shè)備磨損［8］。

據(jù)估計(jì)，80%的控制回路以自動(dòng)模式運(yùn)行比以手動(dòng)模式運(yùn)行產(chǎn)生的方差與波動(dòng)更大［9］。大約30%的PID控制回路由于諸如滯后、粘附、死區(qū)和非線性過(guò)程增益等非線性因素而產(chǎn)生振蕩［10］，控制回路維護(hù)較差以及效率降低，導(dǎo)致生產(chǎn)效益損失。當(dāng)控制回路處于最佳運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，方差與波動(dòng)最小，可以保持工藝流程按預(yù)定的規(guī)格生產(chǎn)，并減少浪費(fèi)。不同工藝過(guò)程控制策略節(jié)約的相關(guān)生產(chǎn)成本見表1所列。

表1 不同工藝過(guò)程控制策略節(jié)約的生產(chǎn)成本

對(duì)于不同類型的工藝過(guò)程，PID控制回路的維護(hù)目標(biāo)不同：對(duì)于蒸汽源，必須保持壓力在最小允許的偏差范圍內(nèi)，安全閥保持關(guān)閉狀態(tài)，必須嚴(yán)密整定PID控制器，以確保控制主蒸汽源的流量控制閥快速響應(yīng)并動(dòng)作，以消除波動(dòng)的影響；對(duì)于物料混合的工藝流程，PID控制器必須同時(shí)以同樣的速度動(dòng)作，以確保比率保持常數(shù)；對(duì)控制煙道過(guò)剩氧含量的PID控制器，通常PID的設(shè)定值置為低值，以提高爐燃料的效率，同時(shí)回路必須對(duì)氧氣濃度下降迅速作出反應(yīng)，以避免燃料與空氣的混合物發(fā)生爆炸。

維護(hù)PID控制回路通常需要綜合考慮平衡穩(wěn)定性與快速響應(yīng)之間的矛盾。穩(wěn)定性是指當(dāng)工藝流程（主要是純滯后時(shí)間或工藝增益）變化時(shí)，控制回路保持穩(wěn)定的能力。為了監(jiān)測(cè)PID的績(jī)效，并根據(jù)條件的改變持續(xù)有效地進(jìn)行維護(hù)，必須采用正確的維護(hù)管理指標(biāo)體系與工作流程，以便可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)、診斷并及時(shí)維護(hù)基礎(chǔ)控制層的控制回路。

2 控制回路的優(yōu)先級(jí)

隨著用于篩選閉環(huán)數(shù)據(jù)的分析技術(shù)的發(fā)展，通常情況下可以采用控制器的性能指標(biāo)確定回路維護(hù)活動(dòng)的優(yōu)先次序。為了確定所有PID控制回路維護(hù)的相對(duì)優(yōu)先級(jí)，有必要用回路的重要性對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，如下式所示。

式中：P——優(yōu)先級(jí)；A——性能；B——重要性。

雖然控制回路性能評(píng)估技術(shù)已經(jīng)取得了極大的進(jìn)展，但是確定控制回路重要性的方法仍然是定性和主觀的。將一個(gè)PID控制回路歸類為重要回路有以下幾種原因：1）能使過(guò)程操作更接近安全、環(huán)境和質(zhì)量制約的回路；2）需要快速響應(yīng)設(shè)定值變化的回路；3）串級(jí)的副回路在行為上有必要與主回路具有一致性（閉環(huán)SP隨時(shí)間的響應(yīng)）；4）難于維護(hù)或更換控制閥的回路，如因?yàn)楣に嚵鞒滩辉试S中斷服務(wù)，或者沒(méi)有更換閥門的隔離措施或可供使用的旁路；5）回路的控制作用對(duì)其他經(jīng)濟(jì)性比較重要的回路帶來(lái)不可測(cè)干擾。

通?？刹捎每尚械臏?zhǔn)則確定回路的重要性，例如：依據(jù)工業(yè)應(yīng)用的特征需求，甚至有可能依據(jù)每個(gè)重要性準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估每個(gè)回路的閉環(huán)性能，并從中獲得更復(fù)雜的如表2所列的加權(quán)優(yōu)先級(jí)。

表2 PID控制回路維護(hù)的優(yōu)先級(jí)

利用如表2所示方法排序的缺點(diǎn)是要求用戶額外提供“控制回路重要性”的信息。有利的是：通過(guò)定義控制回路的重要性，可以明確維護(hù)管理過(guò)程，并獲取相應(yīng)的知識(shí)；潛力大的目標(biāo)控制回路應(yīng)有更高的優(yōu)先級(jí)。

3 確定控制回路重要性的ISM算法

為了確定控制回路的優(yōu)先級(jí)，有必要研究“控制回路重要性”的量化算法。為此考慮采用閉環(huán)響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用ISM算法獲得控制回路的解釋結(jié)構(gòu)來(lái)確定。

1）采集過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，所采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式如下所示：

2）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)建立偏相關(guān)系數(shù)矩陣。采用下式計(jì)算變量xi和yi相關(guān)系數(shù)：

進(jìn)而可以得到相關(guān)系數(shù)矩陣r以及r的逆矩陣c，定義兩變量之間的偏相關(guān)系數(shù)如下式：

式中：i＝1，2，…，n，j＝1，2，m。根據(jù)Rij來(lái)構(gòu)建偏相關(guān)系數(shù)矩陣R。偏相關(guān)系數(shù)值的大小表示變量之間的關(guān)聯(lián)程度，見表3所列。

表3 偏相關(guān)系數(shù)的范圍以及相應(yīng)的關(guān)系

3）通過(guò)計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)矩陣中第i列的均值，可得到相關(guān)性的大小即回路的重要性的大小，如下式所示：

4 基于TE模型的驗(yàn)證

4種原料（A，C，D，E）進(jìn)入反應(yīng)器中，同時(shí)反應(yīng)物（A，C）混合物進(jìn)入汽提塔，進(jìn)而經(jīng)回流管道進(jìn)入到反應(yīng)器中；4種原料在反應(yīng)器中進(jìn)行放熱反應(yīng)，產(chǎn)生產(chǎn)物（G，F(xiàn)以及副產(chǎn)物）；進(jìn)而進(jìn)入冷凝器冷卻成液態(tài)，其中的物質(zhì)包含了部分氣態(tài)以及液態(tài)，再進(jìn)入氣液分離器，進(jìn)行氣液分離。氣液分離器促使氣體回流到反應(yīng)器中以及液體流入到汽提塔中。進(jìn)入到汽提塔中的物質(zhì)進(jìn)行氣體二次回流，得到最終產(chǎn)品，包含產(chǎn)品、副產(chǎn)品以及少量的原料。TE過(guò)程PID控制流程如圖1所示。

首先獲取如圖1中17個(gè)控制回路的測(cè)量值，利用公式（2）～（5）計(jì)算得到重要性的結(jié)果，見表4所列。從表4可知按照重要性自高到底的排序結(jié)果為 FIC1，GIC，F(xiàn)IC6，F(xiàn)IC8，9CIC，F(xiàn)IC9，LIC3，F(xiàn)IC7，TIC1，PIC1，TIC2，F(xiàn)IC4，LIC2，F(xiàn)IC3，F(xiàn)IC5，F(xiàn)IC2，LIC1。

圖1 TE過(guò)程PID控制回路

表4 TE過(guò)程控制回路優(yōu)先級(jí)分析結(jié)果

其次，按照接近約束極限作為排序準(zhǔn)則，計(jì)算性能評(píng)估指標(biāo)ISE（此處偏差值為計(jì)算得到的偏差除以設(shè)定值），得到性能評(píng)價(jià)結(jié)果，從表4可知，按照性能自差到好的排序結(jié)果為FIC1，F(xiàn)IC7，LIC3，LIC2，CIC，GIC，LIC1，F(xiàn)IC5，F(xiàn)IC4，F(xiàn)IC9，F(xiàn)IC6，F(xiàn)IC3，F(xiàn)IC2，F(xiàn)IC8，TIC2，PIC1，TIC1。最后按照表2中第1行的計(jì)算公式，計(jì)算出控制回路維護(hù)的優(yōu)先級(jí)，排序結(jié)果如圖2所示。

圖2 控制回路的優(yōu)先級(jí)示意

從圖2可知，需優(yōu)先維護(hù)的控制回路為FIC1與FIC7，排在第2梯隊(duì)需要維護(hù)的控制回路包括：CIC，LIC3與GIC回路，其他回路從優(yōu)先級(jí)來(lái)看可以暫時(shí)不考慮維護(hù)，與TE的實(shí)際過(guò)程操作要求相匹配。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于PID控制回路重要性及性能綜合確定PID控制回路維護(hù)優(yōu)先級(jí)的排序方法，可以方便地量化控制回路的綜合績(jī)效以及工藝操作的重要性，科學(xué)地給出控制回路維護(hù)的優(yōu)先級(jí)。工程師可以依據(jù)確定的優(yōu)先級(jí)，快速確定控制回路維護(hù)管理計(jì)劃，提高操作維護(hù)的效率以及有效性。

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